2024年-LABVIEW编程基础第章数据采集学习课件

陕西理工学院第8章数据采集1CONTENTS目录数据采集基础01DAQ设备的安装与测试02NI-DAQmx简介03DAQmx数据采集应用编程实例0422024/5/13CONTENTS目录数据采集基础01DAQ设备的安装与测试02NI-DAQmx简介03DAQmx数据采集应用编程实例0432024/5/138.1.1奈奎斯特采样定理自然界中的物理量大多是在时间、幅值上连续变化的模拟量，而信息处理多是以数字信号的形式由计算机来完成。所以将模拟信号变为数字信号是实现信息处理的必要过程，该过程的第一步就是对模拟信号进行采样。对模拟信号采样的基本原则是奈奎斯特采样定理：若连续信号x(t)是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc，对x(t)采样时，若保证采样频率fs≥2fc

，那么即可由采样后的数字信号x(nTs)恢复出x(t)。如果采样频率fs<2fc

，则通过采样后的数字信号无法还原原来的信号，称为欠采样。一般情况下，在采样时，fs至少为fc的2.5倍，工程上，一般为6-8倍。8.1数据采集基础42024/5/13根据信号运载信息的方式不同，可将信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号有直流、时域、频域信号，而数字（二进制）信号分为开关信号和脉冲信号两种。8.1.2输入信号类型52024/5/131．信号源的基准配置信号源有两种类型：基准的和非基准的。基准信号源通常称为接地信号，而非基准信号源则称为未接地信号或浮动信号。接地信号源的电压信号以系统的地线作为参考点，如大地或建筑物。通过电源插座插入建筑物的设备，如信号发生器和供电设备，都是接地信号源最常见的实例。未接地信号源的信号（如电压）没有相应的诸如大地或建筑物这样的绝对参考点。一些常见的未接地信号的实例包括电池组、电池供电源、热电偶、变压器、隔离放大器和那些输出信号明显不接地的各种仪器。未接地信号源

接地信号源8.1.3信号接地与测量62024/5/132．测量系统根据信号接入方式的不同，测量系统可以分为差分测量系统（DEF）、参考地单端测量系统（RSE）、无参考地单端测量系统（NRSE）3种类型。（1）差分测量系统在差分测量系统中，信号两个输入端分别连接数据采集设备的两个模拟通道输入端。具有仪器放大器的数据采集卡设备可配置成差分测量系统。72024/5/13（2）参考地单端测量系统(RSE)一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。（3）无参考地单端测量系统(NRSE)在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。82024/5/138.1.4数据采集系统构成一个典型的数据采集系统，包括传感器、信号调理、数据采集卡、PC机和软件。传感器：感应被测对象的状态变化，并将其转化成可测量的电信号。信号调理：联系传感器与数据采集设备的桥梁，主要包括放大、、滤波、隔离、激励、线性化等。数据采集卡：实现数据采集功能的计算机扩展卡。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等。通常来说数据采集卡都有自己的驱动程序。软件：使PC机和数据采集卡形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。92024/5/13CONTENTS目录数据采集基础01DAQ设备的安装与测试02NI-DAQmx简介03DAQmx数据采集应用编程实例04102024/5/138.2.1数据采集卡的安装NIPCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡。提供16路单端/8路差分模拟输入通道，分辨率为16bit，单通道数据采样速率为1.25MS/s，多通道为1MS/s；提供2路16位模拟输出，刷新率为2.8MS/s；提供24条数字I/O线和2个32位计数器。共有68个接线端子。将PCI-6251数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲PCI插槽中，接好附件并完成驱动程序NI-DAQ或NI-DAQmx的安装（最新版的NI-DAQmx可从NI网站上下载，本书采用的为NI-DAQmx9.0）即完成安装工作。数据采集卡附件8.2DAQ设备的安装与测试112024/5/13在安装NI-DAQ或LabVIEW软件时，系统会自动安装Measurement&AutomationExplorer的软件，简称MAX，该软件用于管理和配置硬件设备。运行MAX，在弹出的窗口左侧“配置”管理树中展开“我的系统”»“设备和接口”，如果前面数据采集卡的安装无误，则在“设备和接口”节点下将出现“NIPCI-6521”的节点。

选中“NIPCI-6521”节点，窗口右侧将列出数据采集卡的一些属性，如序列号、内存范围等属性信息，同时通过该节点右键菜单或右侧窗口上部的快捷菜单按钮还可以进行数据采集卡的自检、测试、重启设备、创建任务、配置TEDS、设备引脚定义浏览、自校准等操作。8.2.2数据采集卡的测试及配置122024/5/131．采集卡的自检及重启通过单击“自检”可以执行设备自检操作，通过单击“重启设备”则可以实现设备的重启从而将设备重置为默认状态。自检及重启设备通过将弹出“成功”提示对话框。2．采集卡测试利用“测试面板…”快捷菜单按钮打开测试面板窗口，在该窗口中可以对采集卡进行测试从而检验设备是否运行正常，在该窗口中，可以对采集卡的模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器I/O进行测试，右图给出了模拟输入测试的情况，测试输入信号采用差分方式从端口68、34输入，频率10Hz，幅度峰-峰值为1V的正弦信号，从测试面板显示信息表明该设备工作正常。132024/5/133．采集卡的任务配置（1）物理通道物理通道是采集和产生信号的接线端或管脚。支持NI-DAQmx的设备上的每个物理通道具有唯一的名称。虚拟通道是一个由名称、物理通道、I/O端口连接方式、测量或产生信号类型以及标定信息等组成的设置集合。在NI-DAQmx中，每个测量任务都必须配置虚拟通道，虚拟通道被整合到每一次具体的测量中。（2）虚拟通道任务是带有定时、触发或其他属性的一个或多个虚拟通道的集合，是NI-DAQmx中一个重要的概念。一个任务表示用户想做的一次测量或一次信号发生。用户可以设置和保存一个任务里的所有配置信息，并在应用程序中使用这个任务。在NI-DAQmx中，用户可以将虚拟通道作为任务的一部分（此时虚拟通道为局部通道）或独立于任务（此时虚拟通道为全局通道）来配置。（3）任务几个有关采集的基本概念142024/5/13在MAX界面接口和设备右侧窗口上面的“创建任务…”快捷菜单选项来实现，单击该菜单选项，弹出“新建NI-DAQmx任务…”对话框。选择“模拟输入”»“电压”，对话框将切换为“物理通道”选择界面，在界面上选择一个信号输入的物理通道，如“ai0”，表明要采集从ai0输入的模拟信号，选定后单击“下一步”进入任务名定义界面，在界面中对应文本输入框中输入要指定的任务名称，如默认“我的电压任务”，单击“完成”则完成一个模拟输入电压测量任务的创建。在MAX中配置任务方法152024/5/13在MAX主窗口左侧配置树的“数据邻居”中选定创建好的任务节点，在右侧窗口中合理配置各种参数后，单击“运行”按钮，则输入信号采集结果显示在窗口右侧上部的图表中。在窗口的下侧单击“连线图”选项页，将弹出信号输入连线方式。利用“保存”按钮可以对任务进行保存，保存后可以在其它应用程序中使用。162024/5/13通过MAX还可以实现配置TEDS、设备引脚定义浏览、自校准等操作。单击“配置TEDS…”菜单按钮打开配置TEDS窗口，实现在NI-DAQmx设备上添加或删除TEDS兼容的传感器的功能。单击“设备引脚”菜单按钮打开数据采集卡（NIPCI-6251）端口说明文档，从文档中可以得到数据采集卡的端口定义。单击“自校准”菜单按钮可以实现设备的自校准操作。4．其他配置操作通过“DAQ助手”创建和配置任务。在应用编程中创建及配置任务，如通过前面板控件对象“DAQmx任务名”和程序框图常量“DAQmx任务名”的右键快捷菜单“新建NI-DAQmx任务”»“MAX…”选项，也可以创建并在MAX中保存NI-DAQmx任务。任务配置其他方法172024/5/13CONTENTS目录数据采集基础01DAQ设备的安装与测试02NI-DAQmx简介03DAQmx数据采集应用编程实例04182024/5/138.3.1传统的NI-DAQ与NI-DAQmxNI-DAQ驱动软件是一个用途广泛的库，该软件提供了多种函数及VI，可从LabVIEW中直接调用，从而实现对测量设备的编程。传统NI-DAQ(Legacy)是NI-DAQ6.9x的升级版，其VI、函数和工作方式都和NI-DAQ6.9x相同。传统NI-DAQ(Legacy)可以和NI-DAQmx在同一台计算机上使用，但不能在WindowsVista上使用传统NI-DAQ(Legacy)。NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驱动程序，带有控制测量设备所需的最新VI、函数和开发工具。与早版本的NI-DAQ相比，NI-DAQmx的优点在于：（1）提供了DAQ助手，无需编程就可进行测量任务，并能生成对应的NI-DAQmx代码，易于学习；（2）采集速度更快；（3）提供的仿真设备无需连接实际的硬件就可进行应用程序的测试和修改；（4）API更为简洁直观；（5）支持更多的LabVIEW功能，可使用属性节点和波形数据类型。（6）对LabVIEWReal-Time模块提供更多支持且速度更快。8.3NI-DAQmx简介192024/5/13主要提供通过前面板对DAQmx任务名、DAQmx全局通道、DAQmx物理通道、DAQmx接线端、DAQmx换算名、DAQmx设备名、DAQmx开关等的输入功能。8.3.3NI-DAQmx数据采集VI8.3.2NI-DAQmx数据采集控件202024/5/13VI名称VI说明DAQmx创建虚拟通道创建一个或多个虚拟通道，并将其添加至任务。DAQmx读取读取用户指定的任务或虚拟通道中的采样，可以返回DBL或波形格式的数据。DAQmx写入在用户指定的任务或虚拟通道中写入数据，可以写入DBL或波形格式的数据。DAQmx结束前等待等待测量或生成操作完成。该VI用于在任务结束前确保完成指定操作。DAQmx定时配置要获取或生成的采样数，并创建所需的缓冲区。DAQmx触发配置任务的触发类型。DAQmx开始任务使任务处于运行状态，开始测量或生成。DAQmx停止任务停止任务。DAQmx清除任务在清除之前，VI将停止该任务，并在必要情况下释放任务保留的资源。清除任务后，将无法使用任务的资源。必须重新创建任务。DAQ助手使用图形界面创建、编辑、运行任务。NI-DAQmx重要VI列表及功能说明212024/5/13多态VI是LabVIEW中VI的一种组织方式，多态性是指VI的输入、输出端子可以接受不同类型的数据。多态VI实际上是具有相同连接器形式的多个VI的集合，包含在其中的每个VI都称为该多态VI的一个实例。这种VI组织方式将多个功能相似的功能模块放在一起，方便用户的学习和使用。在多态VI中可以通过“多态选择器”，可以选择具体使用多态VI的哪个实例。DAQmx创建虚拟通道多态VI的多态实例选择LabVIEW中的多态VI概念222024/5/13DAQ助手是一个向导式的ExpressVI，它拥有一个交互式的图形界面，根据提供的向导就能一步一步配置任务、通道、信号自定义换算等，并且能自动生成LabVIEW代码而无需编程。DAQ助手位于“函数选板”»“测量I/O”»“DAQmx-数据采集”子选板中，将其放置到程序框图后后将自动弹出一个“新建Express任务…”对话框，通过该对话框可以开始一个数据采集任务的创建，其创建步骤与在MAX创建任务类似。8.3.4DAQ助手的使用232024/5/13配置完成返回程序框图，DAQ助手显示为一个ExpressVI图标。如在其输入端口（如采样率、采样数等）不输入新的参数值，则DAQ助手将以对话框中的配置的参数作为默认参数执行数据采集功能。DAQ助手的“数据”接线端口包含了要读取任务的采样。因此该端子根据数据采集所要实现的不同任务可作为测量任务的输出以及模拟/数字输出任务的输入。根据前面的配置（模拟输入），这里我们将采集到的数据输出到一个图形显示控件中显示，输入的信号为一个正弦信号，采集显示结果如图所示。使用DAQ助手创建的任务是临时任务，未保存到MAX中，在没有转换为NI-DAQmx任务之前只能在创建该DAQ助手的VI中使用。通过快捷菜单选项“转换为NI-DAQmx任务”可以将该任务转换为长期任务并保存到MAX实现其调用功能。242024/5/13（1）通过任务生成程序图形代码利用控件选板中“DAQmx任务名”控件或函数选板中的常量节点“DAQmx任务名”实现MAX中任务的访问。通过“DAQmx任务名”常量或控件选定MAX中的任务后，用控件或常量快捷菜单“生成代码”菜单中的“范例”、“配置”、“范例和配置”和“转换为ExpressVI”四个选项生成不同程序图形代码。通过DAQ助手或MAX配置的任务只能完成基本的数据采集功能，实际应用需要根据要求添加相应的功能以实现对数据采集更多的控制。故有时需要将配置的任务转化为程序代码，从而通过修改程序代码来实现更为复杂的功能。在LabVIEW中，有两种生成程序代码的途径。通过“DAQmx任务名”常量访问MAX中的任务LabVIEW中程序图形代码的生成252024/5/13

范例该选项产生一个任务运行时所需的所有代码，如读、写操作函数，开始、停止任务函数，以及循环结构、图形显示等。范例程序图形代码实际上就是一个简单的DAQmx示例程序，代码内容会因任务而异，经过某些修改就可以用在应用程序中。这个程序仍然通过数据采集“DAQmx任务名”控件或“DAQmx任务名”常量与数据采集任务联系在一起。262024/5/13

配置该选项产生的代码只是任务配置部分。它用一个函数图标（子VI方式）取代原来的“DAQmx任务名”控件或“DAQmx任务名”常量。打开这个函数图标，其图形代码如图所示。272024/5/13

配置和范例该选项产生的代码为前两个选项产生的代码之和。

转换为ExpressVI该选项根据MAX中任务的配置将“DAQmx任务名”控件或“DAQmx任务名”常量转换为“DAQ助手”形式的ExpressVI。282024/5/13（2）将数据采集助手ExpressVI转换为程序图形代码在DAQ助手上单击右键，在弹出的快捷菜单中选择“生成NI-DAQmx代码”选项，DAQ助手将自动把配置完成的任务生成NI-DAQmx代码，其代码同时包含配置和范例两个部分。292024/5/13CONTENTS目录数据采集基础01DAQ设备的安装与测试02NI-DAQmx简介03DAQmx数据采集应用编程实例04302024/5/138.4.1模拟信号输入采集模拟信号是虚拟测试系统中最普遍、最典型的任务。按数据多少通常分为单点直流信号采集、有限波形采集和连续波形采集。按使用通道多少可分为单通道采集、多通道采集。（1）单点直流电压信号采集单通道单点数据采集是最简单的模拟信号输入采集方式，它适合于对直流电压信号的采集。利用“DAQmx创建通道”、“DAQmx读取”、“DAQmx清除任务”等VI即可实现。单点直流电压信号采集示例8.4DAQmx数据采集应用编程实例312024/5/13（2）有限波形采集有限波形采集是从一个或多个通道分别采集多个点组成一段波形。由于是多点采集，在采集程序设计时，还需要确定两点间采集的时间间隔（即采样频率）、采样点数等参数。相对于单点采集而言，波形采集需要设置的参数要多一些，同时还要使用更多的计算机资源，也需要使用缓冲区。“DAQmx创建通道”设置为“AI电压”用于建立通道；“DAQmx定时”设置为“采样时钟”实现对采样时钟的源、频率以及采集或生成的采样数量进行设置。输入信号为频率为10Hz的正弦信号和三角波信号，根据设定参数可得在输入信号的一个周期内采样数为50，每通道采样数为100，则采样组成的波形为两个周期。两通道有限波形采集示例322024/5/13（3）连续波形采集要实现一个连续的波形采集，其实现方法只需将读取数据及必要的数据处理程序放入循环即可。而不是将将整个数据采集程序放入循环，这是因为如果这样，每执行一次数据采集操作采集一段数据，都包含设置、启动、清除等操作，而在相邻的两次采集之间如果存在这些操作，则采集就很难保证连续进行。连续波形采集示例程序中将“DAQmx读取”函数及波形图表显示置于一个While循环中，同时将“DAQmx定时”函数的“采样模式”设置为“连续采样”，从而实现连续波形的采集，波形图表中的显示为输入正弦信号（频率10Hz，峰-峰值5V）的采集情况。332024/5/13对于连续采集，缓冲问题是必须注意的。对于一些简单的数据采集，用户不需设置，LabVIEW会自动分配缓冲区。对于DAQmx定时函数的“每通道采样”接线端，当“采样模式”设置为“有限采样”时，表示每通道需要读取或写入数据的长度，当“采样模式”设置为“连续采样”时，表示缓冲的大小，可以通过该端子实现缓冲区的大小。NI-DAQmx对于不同的“采样率”有一个参考的缓冲区大小，如果通过“每通道采样”所设的值小于参考值的话，系统会自动选择参考值作为缓冲区的大小。采样率缓冲区大小采样率缓冲区大小未设置10kS10,000–1,000,000S/s100kS0-100S/s1kS>1,000,000S/s1MS100—10,000S/s10kS在连续采样中，如果“DAQmx读取”函数从缓存中读取数据的速度小于设备向缓存中存放数据的速度，则会出现在向缓冲区写入数据时覆盖掉还没有被读取的数据而产生数据丢失，使数据采集不连续，这种情况下有时会返回错误，通过设置合适的“每通道采样数”的值可避免该错误的发生，通常此值设置为缓存大小的1/2~1/4较为合适。连续采集的缓冲问题342024/5/13在实际应用中，需要用数据采集设备输出模拟信号。信号包括稳定的直流信号、有限波形信号和连续波形信号。模拟信号输出与模拟信号输入所使用函数大部分是相同的，最大的区别在于模拟信号输入采用“DAQmx读取”函数，而模拟信号输出要采用“DAQmx写入“函数。当需要DAQ产生一个模拟直流信号时，一般采用单点模出。（1）直流信号输出直流信号输出示例设置输出电压值，运行程序，则在模拟输出通道“Dev1/ao0”输出对应的直流电压，通过万用表或示波器可以测量到程序设置相同的电压值。需要注意的是，模拟输出时，产生信号的是硬件，即使停止而且清除了任务，采集卡输出端口将维持任务结束时最后一个数据样本的状态，直到新任务开始或设备断电。如果采集卡在不需要输出信号时长期保持非零电平状态，容易造成损坏，因此在模拟输出任务完成不需要输出信号后，需运行一段单点输出代码，将前面通道的输出置为0。8.4.2模拟信号输出352024/5/13（2）有限波形输出有限波形输出是输出一段固定长度的波形数据。有限波形输出示例“DAQmx创建通道”对输出信号幅度范围、接线端配置、物理通道等信息进行配置。“DAQmx定时”对采样时钟的采样率、采样模式及每通道采样进行配置，“采样率”参数可以确定输出信号的频率，“每通道采样”确定输出有限波形数据的长度。“DAQmx写入”负责将“数据”端给定数据写入通道，数据由“正弦信号”函数生成，其幅度为5V，周期为1s，采样数为128。“DAQmx结束前等待”函数用于VI在任务结束前确保完成指定操作。运行该VI，根据设定的参数，通过示波器对输出波形进行观察，可以得到输出频率为1Hz，幅值为5V，长度为8个周期的正弦波形。362024/5/13（3）连续波形输出要输出一个连续的周期信号，不需要向缓冲区连续不停的传送数据，而只需要向一段缓冲区写入待输出信号一个周期的数据，DAQmx将在任务结束前自动不断的重复该段数据，以输出连续的周期信号。连续波形输出示例“DAQmx定时”函数的采样模式设置为“连续采样”，将“DAQmx结束前等待”函数置于一个While循环中，即可实现连续波形输出。其中While循环的作用是保证任务不结束，这样硬件就会一直输出数据，除非发生错误或单击停止按钮。372024/5/13一般的数据采集卡都有数字端口和计数器，用于实现数据采集的触发、控制及计数等功能。端口按照TTL逻辑电平设计，逻辑低电平在0-0.7V之间，逻辑高电平在3.4-5.0V之间。数字I/O的重要组成部分是数字端口Port与数字线Line。数字线是数据采集卡中单独连接一个数字信号的物理端子，一个数字线承载的数据称为位bit，它的二进制值是0或1。多路数字线组成一组后称为端口Port，一般情况下，4或8路数字线组成一个端口。许多数据采集设备要求一个端口中的线同时都是输出线，或同时都是输入线，即单向的，但也有一些设备的一个端口的数字线可以是双向的，即有的线输入有的线输出。NIPCI-6251数据采集卡，有24条数字线，组成3个端口。数字I/O的应用分为两类：无条件数字输入输出方式和握手方式。无条件数字输入输出方式调用数字I/O函数后立即更新或读取某一路或端口状态；握手方式在在传递数据时都需要进行请求和应答。NIPCI-6251不支持握手方式数字输入输出。数字I/O的编程方法与模拟输入、模拟输出的编程差别不大。

8.4.3数字I/O382024/5/13数字输入输出示例先通过数据采集卡的端口0（port0）输出数据（10100111），在数据采集卡接线板上，通过导线将数据采集卡端口0（port0）和端口1（port1）对应的线连接起来。这样，程序在端口0输出数据后，紧接着又通过端口1将端口0上各数字线上的读取出来。392024/5/13NIPCI-6251数据采集卡硬件配有两套通用计数器，分别标为CTR0和CTR1。每个计数器的基本结构模型如图所示。GATE为计数器的闸门控制信号；SOU